비율차동계전기 정정

왜 배우는가: 비율차동계전기는 변압기 내부고장을 가장 빠르고 민감하게 검출하는 대표 보호계전기여서 실무에서 필수적으로 쓰인다. 정정 문제는 CT 비, 변압기 탭, 결선 보정이 얽혀 매 회차 반복 출제되므로 개념의 출발점인 원리와 필요성을 확실히 잡아야 한다.

출제 이력: 제111회 2교시 6번, 제99회 2교시 1번, 제89회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비율차동계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 차(동작전류)가 통과전류(억제전류)에 대한 일정 비율을 넘으면 동작하는 계전기다.

• 비율차동계전기
• 동작전류(차전류)
• 억제전류(통과전류)
• 부정합 비율
• 보조 CT
• 탭 정정
• 여자돌입전류 억제

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 보호하는 기기의 한쪽으로 들어간 전류와 반대쪽으로 나간 전류를 비교해서 그 차이가 크면 기기 내부에서 사고가 났다고 판단하는 계전기다. 외부 사고처럼 큰 전류가 그대로 통과할 때는 차이가 작아 동작하지 않아야 한다. 그래서 차이를 그대로 보지 않고 통과전류 크기에 비례하는 기준과 비교한다.

정식 정의는 다음과 같다. 비율차동계전기는 보호구간의 유입전류와 유출전류의 벡터차인 동작전류가, 통과전류에 의해 생기는 억제전류에 대해 일정 비율 이상일 때 동작하는 계전기다. 오동작을 막기 위해 억제코일로 통과전류에 비례하는 억제력을 만들고, 동작코일에는 차전류로 동작력을 준다.

동작 비율은 다음과 같이 쓴다. $\text{동작비율}[\%]=\frac{\text{차전류}}{\text{유출전류}}\times100$ 여기서 차전류는 유입전류와 유출전류의 차이다.

최소동작전류는 일반적으로 전류 탭값의 30% 에서 동작 하도록 설정한다. 특성곡선은 보통 유출전류가 설정 전류탭값의 300% 에서 정확히 동작하도록 설계한다.

부정합 비율은 두 측 CT의 변환비와 변압기 권수비, 결선 위상차 때문에 정상 상태에서도 계전기 입력에 남는 차전류의 비율이다. 이를 줄이려면 보조 CT로 두 측 전류 크기를 맞춰 주고, 탭 정정에서 여유를 준다.

3. 등장 배경과 필요성

변압기는 내부 권선 단락, 층간 단락, 상간 단락 같은 고장이 생기면 과전류 계전기만으로는 검출이 늦거나 민감도가 부족하다. 권선이 손상되면 수리비가 크고 복구 기간도 길다. 그래서 고장 전류가 흐르기 전 단계에서도 내부 고장을 빠르게 구분할 수 있는 차동 방식이 필요해졌다.

변압기 특성상 비율차동 방식에는 두 가지 문제가 있다. 첫째, 1차와 2차의 전압이 다르고 CT 변환비도 표준 정격에 맞춰 다르므로 정상 부하 상태에서도 차전류가 생긴다. 둘째, 탭 절환과 결선(Y-Δ) 위상차로 전류 크기와 위상이 달라진다. 이 때문에 CT 결선을 변압기 결선과 반대로 하고, 보조 CT와 탭으로 크기를 맞추는 보정이 필요하다.

또 변압기를 투입할 때 흐르는 여자돌입전류는 1차측에만 흘러 차전류로 보이므로 오동작 원인이 된다. 여자돌입전류 파형은 고장전류와 달라 제2고조파가 15~20% 이상 포함되면 억제 동작을 하도록 설계한다. 이 원리가 비율차동계전기가 단순 차동계전기보다 널리 쓰이는 이유다.